DE1528704A1 - Zentrifugal-Pumpe - Google Patents

Description

Dip!.-Ing. Karl Wessel ₈ München 13, den 19. Sep.1966

München 13
Hohensiauf enstr. 2, Tel. 3 3 8111

F o r d - ^Ti.^r e r k e Aktiengesellschaft K31n-Niehl,
Henry - ^ord - Strasse

" Zentrifugalpumpe ".

"¹⁵¹Ur diese Anmeldung wird die Priorität der Patentanmeldung Se. Ho. 500 5¹H vom 22. Oktober 1965 in den Vereinigten Staaten von ITordanerika in Anspruch r-enonmen.

öle Hrfindun- bezieht sich au:" Plie^^ittelTjumnen. Instesondere besieht sie sich auf eine Zentrifugalpumpe mit besonderer Auslad Γ ff nun τ zur Verbesserung; des vo'lumetrischen !-Jirkunrccrs.deε -ce^enübor bekannten I'onotrul::tionen.

-ine "entrifu.ralnunne der Art nach der Erfindunr er.th^;'.lt in all-e:'ieinen einer, toroidal ee.rtaltoten Hohlraum, der in z:-^:e:. Joile in einer senkrecht en Kbe:ie xur Drehachse aufc-i- -malten i~t. Die eine Ii".lfte des "orus enthalt "^::Ch?.ufeln und <£ ist dr^hr.ar, -Ό ^ ο nc! die andere M"lfte !:eine Schaufeln hat

^CiJ und feststeht, ;ic :^rest5tehendo -I^'.lfte bcsitst "'blicherweice

rxj ο Λ non einsi-'ion Ziinla^ und Au rs 1 aß an ^e^er/iberlie^er.der.

ο '"!.ICvV, eine:: ::.r;catrces in de-. Hohlraum, dieser Einr.atz irt

co r.ar-.ialorr'..-"'no :^:-"i ü~if an - etwa.'; breiter, ^Is cer "bst3nd

■■· * ri'-A-.n ζ:όλ --ο ■--;'> ehr arten "otorschau^ln und besitzt ejr.e "τ'ί'-'ο 'c, t'"r'i..r, -iio -nit der .'anten dar "cr.au'"ein su-

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sammenwirkt. Dadurch wird verhindert, daß das in der Statorh/'.lfte des Torus vorhandene Fließmittel zwischen Auslaß und Einlaß strömen kann, wenn die Schaufeln über den Einsatz hinwes^streichen.

viird der Rotorteil getrieben, so wird die flüssigkeit durch den Einlaß in die Hohlräume der Eotorschaufeln einresoqen und durch die Zentrifugalkraft nach aussen rceworfen und zwar in der Bewegungsrichtung der Schaufeln in den Mohlraum des Statortorus. Infolge der Gestalt der ',fend des Statortorus wird das Fließmittel in die Hohlräume der Rotorschaufeln zurückhieltet, woselbst es sus".tzliche Energie aufnimmt. ^T)ia 'Jiederhäiluns dieses Arbsitssnieles mehrmals sro Umdrehung erlitt eine Spiralbewe-un-, der Fließmittels, wenn dieses sich rund um den Torur an Umfanfortbewegt. Das Fließnittel wird alsdann cluroh den einsisGr. Auslaß ausgetrieben. Die meifeäen Flüssird-eifcse.uslässe der Zentrifu^alpumpen nach dem Stand der Technik erteilen der Fließnittel bein Auslaß eine i'lnderuns: in der Lewe^un^srichtun". Die Benutzung einer solchen "'ffnun?: l'lßt das Fließmittel sich an Auslaß ansammeln und einen 7-iückdruck erzeugen oder andere Verluste, durch die der- vclu^nctrische vJirl;unr:sr:rad der Pumpe Te senkt wird, ;^ei -e-.-i'; -:e;i "-cschwlndi.qkoiten erzeugt eine einzi-rs Auslaßö^fnun." dier-ar Art harmonische C.chwincrunr-en, die einen -latte:- ',Us⁵¹IuA do-j "lie^iittelr. -.t"'ren. Aus 'iiesem H-runcle 'vaoen di~- .".or.rtru]"-tionen r.~ch de- Stand der Technil.: in ".l-'.'ie'ieinG:'. 'r/.'^c. hohen volur.etrischsn "Mrkun-Pi^rad und z-^.r in*"clr-e Λα:·' Yer3usto, dio bei den ^^rondere·-. ^usl^^^'fniiri-*- .":"■■:' ~'· "¹U^tIo-

nen auf treten. 9 0 9 8 19/0739

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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile indem eine Auslaßöffnung vorgesehen wird, die aus einer Anzahl kreisförmiger, eliptischer oder rechteckiger öffnungen besteht, die am Umfang verteilt sind. Jede der öffnungen ist mit einem Kanal verbunden, dessen Längsachse in der Tangente der Spiralbewegung des Flief.mittels liest und zwar an der Stelle des Eintritts in die öffnung. Die Stellungen der Auslaß-Öffnungen ergibt einen minimalen Wechsel in der Bewegungsrichtung des austretenden PlieMittels, wodurch die Verluste so klein wie möglich gehalten werden. Die Verteilung am Umfang bringt die Resonanzbedin~ung in Wegfall, die bei einer einzigen Auslaßöffnun-; vorhanden ist, indem das Fließmittel progressiv durch öffnungen vor den Einsatz ausgestoßen wird, woselbst die Geschwindigkeitsenergie geringer ist. Bei der bevorzugten Ausführun~sform wachsen die Auslaßkanäle allmählich im Querschnitt bis an das Ausstoßende, sodaß eine Diffusion eintritt und die Geschwind!-keitsenergie des Fließnittels in Druck umgewandelt wird.

Es ist eine erste Aufgabe der Erfindung, eine Pumpe zu (

schaffen, die eine Anzahl Auslaßt ff nungen besitzt, welche am Umfanc vom Einsatz aus verteilt angeordnet sind, um den volumetrischen Wirkungsgrad gegenüber bekannten Pumpen zu steigern,

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den volumetrische Wirkungsgrad einer Zentrifugalpumpe dadurch zu steigern, daß eine Ausla/*">?**nun" vor-esehen wird, die die

Auslaßverluste der Purine senkt.
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_BAD

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zentrifugalpumpe zu schaffen, bei der eine Anzahl radial verteilter Sätze am Umfang verteilter Auslaßöffnungen vorgesehen' ist.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Auslaßöffnung für eine Zentrifugalpumpe zu schaffen, die aus einer Anzahl am Umfang verteiler Diffusions-Auslaßkanäle besteht, die Jeweils im Querschnitt allmählich wachsen, um die Geschwindigkeitsenergie in Druck umzuwandeln und wobei Jede Kanallängsachse tangential zur Bewegungsrichtung des in die Auslaßöffnung eintretenden Fließmittels verläuft.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Konstruktion für eine Auslaßöffnung einer Zentrifugalpumpe zu schaffen, die eine Anzahl am Umfang verteilter Auslaßkanäle aufweist, mit einer Länge von einem Mehrfachen

mittleren
des frcUrchmessers des Kanales. Der Querschnitt eines jeden Auslaßkanales wächst allmählich in der Auslaßrichtung, um daa Fließmittel zu diffundieren und um die Geschwindigkeisenergie in Druck umzuwandeln. Die Längsachse der Kanäle verläuft im wesentlichen tangential zur Spiralbewegung des gepumpten eintretenden Fließmittels.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung anhand der Zeichnungen, auf denen zeigen:

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Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Zentrifugalpumpe

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gemäß der Erfindung.

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Einzelheit nach Figur 1 sowie nach der Linie 2-2 der Pie;, I gesehen in Richtung der Pfeile.

Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 2, gesehen in Richtung der Pfeile.

Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie 4-4 der Big. 1, gesehen in Richtung der Pfeile»

Fig. 5 und 6 Rückansichten der Pumpe nachrPig, 1, gesehen von rechts nach links. Dabei stellt Fig. 5 den feststehen den Pumpenteil mit abgenommenem Auslaßrohr dar und die Flg. 6 den feststehenden Pumpenteil mit angesetztem Auslaßrohr.

g. T und 8 sind Querschnitte von Einzelheiten nach den Linien 7-7 und 8-8 der Fig, 4, ,levreils gesehen in Richtung der Pfeile,

Fig. 9 und 10 entsprechen den Figuren 4 und 5 und erläutern eine Abänderung,

~ J⁷Ig. 11 zeir*,t einen vergrößert en Querschnitt-nach linie

"^ 11-11 der Fig, 1O₄ gesehen in Richtung der Pfeile,"¹'¹' ,

Die Fi-,ur l, die im wesentlichen maßstäblich ist» eine Zentrifugalpumpe 10, bestehend aus einem

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drehbaren Teil 12 und einem feststehenden Teil 14, die dicht ineinander passen. Der Rotorteil 12 besteht aus drei Teilen, die durch Bolzen oder in anderer Weise aneinander befestigt sind. Es sind dieses eine antreibende Riemenscheibe 16, eine geflanschte Nabe 18 sowie ein radialweisender Torusmantel 20. Die Nabe 18 ist auf dem ■ verdickten Ende 22 einer Welle 24 gelagert, welche axial nach rechts verläuft und den Stator-Mantelteil 26 trägt. Der Statormantel 26 ist eine dicke Platte oder Scheibe, die axial gleitfähig auf einer Hülse 28 angeordnet 1st, Die Hülse ihrerseits gleitet axial auf der Welle 24 und ist undrehbar mit ihr verzapft, wie dargestellt,Der Stator 14 wird durch eine Feder 30 gegen den Rotor 12 gedrückt, die sich an der Statornabe mit dem einen Ende abstützt und mit dem anderen Ende ge?en einen Plansch eines Halteteiles 32, Der Halteteil ist axial einstellbar an der Welle 24 befestigt.

Die beschriebene Konstruktion ermöglicht eine Axialbewegung des Statormantels 26 gegenüber dem Rotornantel 20, wenn ein innerer Überdruck von bestimmtem Wert auftritt, was unten noch erläutert wird.

Der Rotormantel 20 und der Statorrcantel 26 besitzen halb-toroi4algestaltete Hohlräume 34 und 36. Diese Hohlräume liegen einander gegenüber und ergänzen sich, sodaß sie eine toroidale Kammer 38 bilden, an deren Umfang das Flleßmittel hindurchströmen kann. Wie die Figuren 1,2 und

3 zeigen, besitzt der Hohlraum 34 des Rotors eine Anzahl 90981.9/0739

am Umfang verteilter Schaufeln 4o, die in die Drehrichtung" des Rotors weisen und axial so breit sind, daß sie bis an die innere radiale Fläche 42 der Rptorscheibe 20 reichen,

. Der Hohlraum 36 des Stators besitzt keine Schaufeln. Wie aus Fig.,4 erkennbar, ist der Hohlraum des Stators mit einem Einsatz 44 versehen, der eine Einlaßöffnung 46 im Umfang von einer Anzahl am Umfang verteilter Auslaßöffnungen 48 trennt. Der.Einsatz 44 ist, wie aus Fig. 1 erkennbar, an dem Stator befestigt und besitzt eine Breite im Umfang, die etwas größer ist, als der Umfangsäbstand zwischen zwei Rotorschaufeln 40(FIg. 2 und 3 ). Der Einsatz 44 Äüllt in seiner axialen Ausdehnung den Hohlraum 36 des Stators an seiner Sitzstelle aus und seine innere radiale Fläche 50 legt sich dicht an die Kanten der Rotorschaufeln 40 an. Die Fläche 50 dichtet die einzelnen Hohlräume zwischen den Rotorschaufeln wirksam ab, wenn die Schaufeln sich zwischen der letzten Auslaßöffnung 48 und dem Einlaß 46 bewegen. Dadurch wird ein Nebenstrom des Fließmittels im Statorhohlraum zur Einlaßöffnung 46 verhindert.

In den Figuren 4 und 5 sind die Auslassöffnungen 46 als im Querschnitt eliptisch gestaltet dargestellt und durch sich erweiternde Bohrungen 52 (Fi<r. 8) an die Auslaßöffnungen 54 an der Rückseite des Statormantels 26 anseco

schlossen. Die sich erweiternden Kanäle sind vorzugsweise ^ von einer Länge, die ein "lehrfaches des Hauptdurchnessers

-^ des Kanales beträft. Der Kanal 52 wächst allmählich im

-J Querschnitt, um das Fließmittel zu diffundieren, wenn es

den toroidalen Hohlraum 3? der Pumpe verläßt und bewirken

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hierbei eine Umwandlung von Geschwindigkeitsenergie in Druck. Wie ebenfalls aus Pig. 4 und 5 erkennbar sind die Auslaßöffnungen mit gleichmäßigem Abstand am Umfang vertÄilt, zwecks genauerer Steuerung.

Jeder der Kanäle 52 ist so angeordnet, daß seine Längsachse in der Tangente zur Bewegungsrichtung des Fließmittels liegt, wenn dieses in eine bestimmte öffnung 48 eintritt. Dies ergibt einen minimalen Wechsel in der Richtung der Luft und verursacht daher einen minimalen Verlust an W Energie. Die Verteilung der Auslaßöffnungen 48 am Umfang ermöglicht die Verwendung von öffnungen geringeren Durchmessers und bringt die Tendenz des Fließmittels in Wegfall, sich an dem Einsatz 44 anzusammeln. Außerdem vermeidet sie den Resonanzzustand, der bei einer einzigen Auslaßöffnung auftritt, indem das Fließmittel stromaufwärts progressiv abgezweigt wird, wo die Geschwindigkeitsenergie geringer ist,

Die Figur 6 zeigt ein Sammelrohr 56 , welches hinten an dem Statormantel 26 über den Auslaßöffnungen 54 durch Bolzen befestigt ist.

Beim Betrieb wird zunächst der toroidale Hohlraum 3B mit dem zu pumpenden Fließrnittel gefüllt, welches in diesem Falle vorzugsweise Luft sei$. Die Drehung der Riemenscheibe

o 16 nach Tip. 1 z.B. durch einen Ventilatorrienen, der mit

oo der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbunden int,

^ treibt den P.otormantel 20 und die Schaufeln 40 in Uhr-

^₃ zeigersinne, z.B. aufi der Ebene der Fig. 1 heraus. Die

cd Bewegung der Luft durch die Schaufeln 40 erzeugt an Einlaß

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46 einen Sog und läßt Luft In den toroidalen Hohlraum eintreten.

Wegen der Drehung und der Neigungsrichtung der Schaufeln 40 wird die Luft durch die Zentrifugalkraft vorwärts und auswärts geschleudert, ausgehend von der Inneren Seite der Schaufeln in den Hohlraum 36 des Stators. Der schalenförmige Querschnitt der Statorwand leitet die Luft zurück in die Hohlräume zwischen den Rotorschaufeln, woselbst ihr eine zusätzliche Energie durch die Schaufeln erteilt wird. Der fortgesetzte vorwärts und rückwärts gerichtete Ausstoß der f Luft ergibt eine Spiralbewegung beim Vortrieb in Umfangsrichtung rund um den toroidalen Hohlraum. Die Luftgeschwindigkeit wächst progressiv und sobald die Luft die Auslaßöffnungen 48 erreicht, strömt sie in spiralförmiger Bahn, Da der Auslaß vor dem Einsatz 44 beginnt, und da die Achse jedes Auslaßkanales 52 tangential zur Bewegungsrichtung der Luft an dieser Stelle verläuft, wird sie mit gutem Wirkungsgrad in das Rohr 56 ausgelassen.

Wird die ^umpe bei einem Kraftfahrzeug verwendet, um Sekundär-Luft zur Verminderung des Qualmens zuzuführen, so wird bei höheren Geschwindigkeiten ein Punkt erreicht, an dem eine weitere Stei^erunc: im Volumen und Druck der Luft unnotwendig

ist. Eine weitere Steigerung ergibt lediglich einen Kraftco

° verlust und ein Absinken des Wirkungsgrades der Maschine.

CXl
CO

¹^. Bei der Konstruktion nach Fig. 1 bewegt sich, wenn der ο

^j -'umpendruck im Hohlraum 3ß einen ausreichenden Wert erlangt, co

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-ίο- ι ο ζ σ / υ

um die Feder 28 zu Überwinden, der Statormantel 26 nach rechts, sodaß ein Zwischenraum zwischen Rotor und Stator entsteht. Hierdurch wird das Ausmaß der Luftströmung unterbrochen und die Luft strömt ab, wodurch der Auslaß der Pumpe sinkt. Die Bewegung wird indessen so gesteuert, daßder gewünschte Auslaß für die gewünschten Drehzahlhöhen der Pumpe aufrecht erhalten wird,

Fig. 9, 10 und 11 zeigen eine andere Art der Verteilung der Auslaßöffnungen. Nach diesen Figuren sind zwei in radialer

™ Richtung verteilte kürzere Reihen von am Umfang verteilten öffnungen 58 vorgesehen, anstelle einer einzigen längeren Reihe öffnungen 48 nach Figur 4 und 5. Auch sind die öffnungen 58 kreisförmig und die Verbindungskanäle 60 (Fig,11) besitzen konstanten Querschnitt, Die übrigen Einzelheiten sind im wesentliehen die gleichen, wie sie in Verbindung mit Fig. 1 bis 8 beschrieben wurden. Der Betrieb der Pumpe nach den Figuren 9 bis 11 ist im wesentlichen auch der gleiche, wie der nach den Figuren 1 bis 8. Der Auslaßdruck ist etwas niedriger, da die Diffusion in den Kanälen 60 entfällt. Selbstverständlich können die Kanäle 60 auch sich erweitern, sodaß der Querschnitt allmählich ansteigt, um eine Diffusion in der gleichen Weise zu bewirken, wie es in Verbindung mit den Figuren 4 und 5 beschrieben wurde.

co Während die Auslaßöffnungen im Querschnitt nach den Figuren oo

-* H und 5 im wesentlichen eliptisch dargestellt worden sind co

Q und kreisförmig in den Figuren 9 und 10, können selbstver-

co ständlich auch rechteckige oder in anderer Weise gestaltete

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Öffnungen vorgesehen werden, ohne aus dem Rahmen des Erfindungsgedankens herauszutreten.

Aus dem Vorstehenden ist erkennbar, daß nach der Erfindung eine Pumpe mit einem guten volumetrischen Wirkungsgrad geschaffen wird, in dem eine Anzahl am Umfang verteilter Auslaßkanäle angeordnet wird, deren Längsachsen im wesentlichen tangential zur Bewegungsrichtung des austretenden Fließmittels verlaufen und daß eine Diffusion der Geschwindigkeit senergie in Druck erreicht werden kann, in dem ein Auslaßkanal wachsenden Querschnittes verwendet wird f sowie ein solcher, dessen Länge das Mehrfache des Hauptdurchmessers des Kanäles betragt.

Die Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen erläutert. Es sind Abänderungen möglich, ohne aus dem Rahmen des Erfindung Gedankens herauszutreten.

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Claims (12)

1. Ansprüche

   Zentrifugalpumpe,· bestehend aus einem feststehenden und einem gedrehten Teil mit sich gegenüberliegenden, einen toroidal gestalteten Hohlraum bildenden Aussparungen, wobei der gedrehte Teil am Umfang verteilte Schaufeln aufweist und der feststehende Teil zwischen Auslaß und Einlaß einen Einsatz besitzt, der den Auslaß vom Einlaß trennt, dadurch gekennzeichnet, daß.die Längsachse des Auslasses (48) etwa tangential zur Bewegungsrichtung des in dem Hohlraum (3*1,38) wirbelnden Fließmittels verläuft.
2. 2. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Auslaßäffnungen (48) vorgesehen sind, deren Achsen tangential zur wirbelnden Bewegungsrichtung des Fließmittels verlaufen.
3. 3. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe am Umfang"verteilt angeordnet sind.
4. 4. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe am Umfang gleichen Abstand voneinander besitzen.
5. 5. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Auslässe radial zueinander versetzt sind»

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6. 6. Zentrifugalpumpe naoh Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Auslässe (48) sowohl radial als auch im Umfang zueinander versetzt sind.
7. 7. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe aus radial versetzten Sätzen am Umfang verteilter öffnungen (48) bestehen.
8. 8. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe im wesentlichen konstanten Querschnitt besitzen. |
9. 9. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe aus Kanälen mit sich erweiterndem Querschnitt bestehen, um das Fließmittel "zu diffundieren.
10. 10. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe Eintritts- und Austrittsteile besitzen, die durch einen Diffusionskanal verbunden sind, der zum Austrittstell hin divergiert, um die Geschwindigkeits· energie des ^ließnittels in Druck zu verwandeln,
11. 11. Zentrifugalpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und Austrittsteile der Auslässe im

    Querschnitt elintisch sind,
    ο

    cd
12. 12. Zentrifugäärumne nach Anspruch 1 bis 11, dadurch ';ekenno zeichnet, daß dar foststehende Tüll (l4) ein Auslaßrohr (5S) J£ b--jr.itzt, in '.-eiches die Auslasse (4?) einn'lnden und daß ■lie L.^v.ns;e der Auslaßlianäle (52), (46) um ein Hehrfaches

    ■— "^ — — * BAD ORIGINAL

    IOZÖ/ΙΜ

    größer ist, als der mittlere Querschnitt.

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